在石墨烯中光使电子脱轨运动

       简介:  研究人员在实验中利用光使双层石墨烯中的电子弯曲。 电子在材料中的流动方式决定了材料的电子性质。 例如，当一个电压持续加载在一个导电材料上，使电子定向流动，形成电流。 这些电子通常被认为是沿着电场线流动的，就像一个球从山上滚下来。 然而，这些并不是电子可以走的唯一轨迹:当施加磁场时，电子不再沿着电场线方向直线运动，而是沿着抛物线运动。弯曲的电子流产生横向信号，称为“霍尔”效应。

       现在，有可能在不施加磁场的情况下使电子运动轨迹弯曲吗?在最近发表在《Science》上的一项研究中，一个国际研究团队报告称，圆偏振光可以在双层石墨烯中诱导产生弯曲电子流。该研究由ICFO科学家Jianbo Yin (北京石墨烯研究所，中国)、David Barcons、Iacopo Torre、ICFO ICREA教授Frank Koppens领导的团队，以及来自哥伦比亚大学的Cheng Tan和James Hone合作完成。日本NIMS的 Kenji Watanabe和 Takashi Taniguchi，以及新加坡南洋理工大学(NTU)的Justin Song教授。

       该研究的第一作者Jianbo Yin回忆到。“这项合作研究始于2016年Justin Song和Frank Koppens在一次科学会议上的一次对话。”正如Justin Song解释的那样，“电子不仅仅是粒子，而且可以具有类似量子波的性质。”在量子材料中，如双层石墨烯，电子的波动模式可以表现出复杂的缠绕，这通常被称为量子几何。“Frank和我讨论了通过双层石墨烯中的量子几何，利用光而不是磁场来使电子流动弯曲的可能性。”

       考虑到这一点，Frank Koppens团队的研究员Jianbo Yin接受挑战，通过实验来实现这一独特的现象。“我们的设备制造起来非常复杂。他们制作了许多设备，并飞到哥伦比亚大学，与Cheng Tan和James Hone合作，以提高设备的质量。”

图1：由可调Berry曲率驱动的GBG中的谷选择霍尔效应。（A）谷选择性霍尔测量的示意图。

一个谷中的光载波被圆偏振光选择性地激发。这些光载流子由面内电场E和Berry曲率Ω驱动，

产生了光诱导的异常霍尔电压。说明性能带结构的蓝色和红色表示Berry曲率的极化性。

量子几何和谷选择性

       在双层石墨烯中，存在两个电子谷(K和K'):当施加垂直电场时，这两个谷中的电子的量子几何特性会导致它们向相反的方向弯曲。结果，它们的霍尔效应被抵消了。

       在他们的研究中，科学家团队发现，通过在双层石墨烯装置上应用圆偏振光，他们能够有选择地激发材料中特定的电子谷族，从而产生垂直于通常电流方向的光电压。正如Koppens强调的那样，“我们现在设计了这个设备，并设计了这样一种方法，即电子只在光线照射下定向移动。通过这种方法，我们能够避免影响实验测量的背景噪声，并比任何其他2D材料的探测灵敏度高几个数量级。”这一进展意义重大，因为传统的光电探测器通常需要很大的电压偏置，这可能会导致“暗电流”，即使在没有光的情况下也会也会产生电流。

       Yin说:“我们可以用平面外电场来控制电子的弯曲。并且通过量化霍尔电导率，我们可以改变这电子的弯曲角度。通过控制电压‘旋钮’，可以调节Berry曲率(量子几何的一个特征)，从而产生巨大的霍尔电导率。”

       Koppens最后总结说，这项研究的结果开辟了许多在探测和成像应用方向的新领域。“这一发现可能对红外和太赫兹传感的应用具有重大意义，因为双层石墨烯的带隙非常小可以从半金属转化为半导体，所以它可以探测到能量非常小的光子。它也在空间成像，医学成像，如组织皮肤癌，甚至安全应用，如材料的质量检查等领域有重要作用。”

       这种可能性是多方面的，下一步的研究重点是新型二维材料，如moiré材料扭曲双层石墨烯，可能会找到控制电子流的新方法和非常规光电性能。

[1] Jianbo Yin, Cheng Tan, David Barcons-Ruiz, Iacopo Torre, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Justin C. W. Song, James Hone, Frank H. L. Koppens. Tunable and giant valley selective Hall effect in gapped bilayer graphene. Science, 2022 DOI: 10.1126/science.abl4266

报道来源：ICFO-The Institute of Photonic Sciences